概述
混合动力电动汽车和其他电力电子系统的快速发展增加了对功率模块中高可靠性键合技术的需求，电源模块要在高功率和高频率下运行，且具备高度集成性和小型化的特点。下一代半导体材料碳化硅（SiC）能够代替传统材料提供更低的功率损耗、更高的开关速度和工作温度。粘合层也暴露在很高的温度下，因此也应该提高接头的性能指标和可靠性。
本项目提出了一种利用 Cu 颗粒与 Sn 基焊料瞬时液相烧结（TLPS）的低温结合技术作为高温功率模块的贴片解决方案。铜-金属间化合物-树脂（Cu-IMC-resin）的微观结构由 Cu 颗粒与部分填充有聚酰亚胺树脂的 Cu-Sn 金属间化合物（IMCs）连接而成，采用新型铜-焊料-树脂复合材料作为氮气气氛中的接合材料通过 250℃ 下 1 分钟的无压 TLPS 工艺获得。然后利用三维图像重建模型的有限元分析评估 Cu-IMC-resin 独特微观结构的宏观和微观变形特性。
亮点
- 采用Cu 颗粒与 Sn 基焊料瞬时液相烧结（TLPS）的低温键合技术
- 在 Simpleware 中处理Cu-IMC-resin的图像数据并生成高质量的网格模型
- 在 ANSYS Workbench 中模拟微观结构的宏观和微观变形特性
图像获取
Cu-焊料-树脂复合材料是一种含有 Cu 颗粒、Sn-3Ag-0.5Cu（SAC305）焊料颗粒和聚酰亚胺（PI）热固性树脂的糊状物。Cu 颗粒和焊料颗粒的尺寸分别约为 10 µm和 3 µm，铜的重量百分比含量大约是焊料的三倍。使用 Cu-焊料-树脂复合材料将 SiC 芯片键合到直接键合铜（DBC）基板上，芯片尺寸约为 8 × 8 × 0.3 mm，表面镀有 Ni/Au 金属。DBC 基板由两个连接到 0.6 mm厚氮化硅（Si3N4）基板上的 0.3 mm铜电极组成。在氮气气氛中使用无压回流工艺在 100℃ 下预热 60 分钟，接头在 250℃ 下粘合 1 分钟。通过将树脂复合材料加热至回流温度生成了独特的骨架状 Cu-IMC-resin 微观结构。
SiC-DBC 接头采用截面树脂成型，通过聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）获得粘合层连续 100 张横截面图像用以研究三维微观结构。使用热循环室（TSA-73EH）对 SiC-DBC 接头进行热循环测试，温度为 -55℃ 至 175℃，在最低和最高温度都停留 15 分钟。为进行比较，对由商用 SAC305 焊膏粘合的 SiC-DBC 接头也进行了类似的测试。使用扫描声波层析成像（SAT）在每 300 个热循环对芯片附着层进行无损观测，分辨率为 0.1× 0.1 mm。热循环测试后，从六个接头中选择一个具有代表性的，通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察沿接头对角轴的横截面。
图像处理
原始连续横截面 SEM 图像的分辨率为 0.06 µm/pixel，根据亮度分为 Cu、IMC 和 PI 树脂三个区域，然后在 Simpleware 软件中进行图像处理和网格划分。调整图像分辨率为 0.5 µm/pixel，应用高斯平滑，重新分割图像以去除微小（1 µm）的空洞和孤岛。
重建两个边长分别为 15 µm和 50 µm 的立方体 3D 模型，在 Simpleware FE 模块进行网格划分，生成高质量的网格模型。
模拟
将生成的网格模型导入 ANSYS Workbench 进行力学性能的有限元模拟，预估微观结构的宏观和微观变形行为。15 µm 的模型用于预测 IMC 和树脂对均质力学性能的影响。考虑到对称条件，采用1/8 模型进行有限元分析。假定所有界面之间存在理想接触，且考虑了 −55℃、22℃、100℃ 和 175℃这几个环境温度。
按照下表所示组合进行参数研究，验证区域 B（IMC）和 C（树脂）的材料特性对微观结构的影响。为明确树脂的力学性能对微观结构的影响，将空气也视为区域 C。先采用对 15 µm 模型的分析可以快速有效地预测 IMC 和树脂对均质力学性能的影响，而 50 µm 的模型可以提供跟这些性质相关的详细信息，对称条件、界面和环境温度与前者相似。
基于 Cu-IMC-resin 均质化特性的 SiC-DBC 模型
在 ANSYS Workbench 中创建 3D FE 模型，由 SiC 芯片、DBC 基板和中间的粘合层组成。将宏观应变用于微观结构模拟，局部识别模型中的裂纹萌生点，计算十个稳态循环，温度在 -55℃ 和 175 ℃之间振荡。由于温度变化期间组成材料热膨胀系数（CTE）的不匹配，会产生热应力和应变。
结果
宏观变形行为的表征
在每个温度下使用 15 µm 尺寸的 Cu-IMC-resin和 Cu-SAC-resin模型计算均质杨氏模量和屈服强度，将这些数据相对于 22℃ 时 的值进行归一化处理。
Cu-IMC-resin 的归一化均质杨氏模量随温度变化相对稳定，而 Cu-SAC-resin则随温度升高而降低。屈服强度也显示出相似的趋势，说明Cu 和 IMC 的性能随温度变化表现相对稳定。此外，使用 PI 树脂和空气的模型计算得到的杨氏模量和屈服强度仅有微小差异。因此表明，IMC 抑制了伴随杨氏模量和屈服强度降低的高温“软化”，这是对比 SAC 焊料的显着优势。而且 PI 树脂因其柔软性，承载能力很小。
根据以上结果，将 PI 树脂部分视为空气，减少使用 50 µm 尺寸模型计算均质应力应变曲线和力学性能的工作。虽然 IMC 被视为线弹性材料，但曲线显示具有屈服点的变形行为。 Cu-IMC-resin 微观结构表现出各向同性，即沿三个载荷方向获得的性能之间差异可以忽略不计。Cu-IMC-resin 复合材料的杨氏模量（11.3 GPa）明显小于 IMC（Cu6Sn5, 102 GPa），也只是焊料（SAC305, 46 GPa）的约 1/4。这意味着与 IMC 和焊料相比，Cu-IMC-resin 微结构明显具有较低的刚度。
热循环过程中 TLPS 接头的可靠性
从 SAT 图像获得的温度循环次数与 TLPS 和 SAC305 的 SiC-DBC 接头未结合面积比之间的关系。在 1200 次热循环后，SAC305 的未键合面积比例增加到 6%，而 TLPS 只略有增长。
通过截面 SEM 图像可观察到，SAC305 接头中有裂纹状的连通空洞，TLPS 接头没有明显退化。证实 TLPS 接头比 SAC305 焊点更可靠，前者表现出较少的关键分层或裂纹，不太可能影响散热。
接头在粘合层的边缘和拐角处出现应变峰，预计会出现裂纹。热循环期间温度最低时，均质化 TLPS 接头最大应变达 0.4%。与 DBC 基板相比，TLPS 层中产生的 Mises 应力非常低。此外，在 DBC 基板上没有发现应力集中。
值得注意的是，均质化 TLPS 接头的 Mises 应变在循环中没有增加，而 SAC305 接头的 Mises 应变在每个循环中都有增加。此外，与 IMC和 SAC305 相比，均质化 TLPS 接头的归一化 Mises 应力更低。这些结果表明，热循环使 TLPS 降低了 Mises 应变和应力。
宏观和微观变形行为对热循环可靠性的影响
有限元模拟结果表明，TLPS 接头在弹性变形阶段发生了宏观变形。弹塑性材料的接头寿命可以通过 Coffin-Manson 方程估算。从宏观上看，TLPS 的热应力远低于 IMC 接头和 SAC305 接头。与仅使用 IMC 的接头相比，粘合层模量的降低导致 TLPS 接头的热应力显着降低。观察结果表明，树脂的添加导致刚度降低，IMC 基复合结构的力学性能随温度变化维持稳定，有助于 Cu-IMC-resin 微观结构在热循环中发挥出色的可靠性。
为获得更深入的了解，简单讨论潜在裂纹萌生点的 Mises 应力行为，对 TLPS 微观结构 Mises 应力的微观分布随宏观单轴载荷变化进行数值评估。最大宏观应变是在热循环过程中的最低温度阶段产生的，因此将环境温度设置为 -55℃。明显地，靠近连接着的 Cu 颗粒之间细长部分的应力集中部位随宏观应变的增加而扩大。考虑到 IMC 的延展性较差，微观变形行为表明 TLPS 接头的高可靠性受限于宏观应变这种特定条件。
结论
本项目评估了 TLPS 接头即骨架状 Cu-IMC-resin 的微观结构，使用基于 3D 图像重建模型的有限元模拟解释其宏观和微观变形特性。宏观上，Cu-IMC-resin 微观结构表现出温度稳定和低刚度的力学特性，因为是 Cu 和 IMC 主要作为承载相，嵌入的易变形树脂作为衬垫。TLPS 获得 Cu-IMC-resin 微观结构的均质杨氏模量（11 GPa）明显低于 Cu6Sn5（102 GPa）。微观上，在单轴拉伸模拟下局部应力广泛分布在 TLPS 微观结构内的 IMC 区域。这种微变形行为表明尽管 IMC 的延展性较差，TLPS 微观结构在特定的宏观应变条件下仍能够表现出可靠的性能。
使用 Cu-IMC-resin 均质力学性能的 SiC-DBC 芯片贴装数值模型预测了其在热循环过程中的出色可靠性。变形行为从宏观角度显示出相当低的应变和应力，且局部应力低于微观角度 Cu6Sn5 的抗拉强度，也获得了实验结果的支持。微观结构由于其固有的骨架状构造在低刚度下会变形，而低刚度和高导热性之间的平衡对于高效运行至关重要。因此，未来工作的范围包括进一步优化骨架状微观结构避免这种性能的牺牲。
参考
- Tatsumi H, Yamaguchi H, Matsuda T, et al. Deformation behavior of transient liquid-phase sintered Cu-solder-resin microstructure for die-attach[J]. Applied Sciences, 2019, 9（17）: 3476.